基于3RRR-3UPS并联机构的球面调姿平台

基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台
技术领域
1.本发明属于并联稳定机构技术领域，特别涉及一种基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台。


背景技术：

2.航空机械及其挂载设备在飞行器航行的过程中难免受到高速气流的扰动，且在飞行过程中，为适应航线变化而产生的主动控制也会使得机体发生姿态变化。这些姿态变化使得机舱内难以获得平稳的工作区域，对于部分航空人工作业，特殊物资运输以及高精密仪器来说都会产生一定的影响，甚至危及到部分人身与财产安全。而传统的3rrr球面机构是较为经典的三转动自由度并联机构，其含有9个转动副关节，具有6个约束冗余。3rrr并联机构的球面支链因具有剪式机构的特点，其承载能力与机械刚度较差，在应对大承载问题时难以获得理想的效果。
3.为解决上述问题，本发明设计了一种基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台，与传统的3rrr球面机构相比，机械刚度大、可靠性高、承载力强，且易于控制，适用范围广，可以固定在机体中通过隔离机体的姿态扰动，为较大重量的物资、设备以及高精密仪器的航空运输提供一个持续稳定的工作区域，这对于解决航空作业中的相关干扰问题具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台，通过降低末端平台的安装面，能够有效且大幅度降低末端平台因转动引起的不平衡力矩，同时采用将p副作为驱动副，可以实现ups驱动分支的连续性冗余约束，有利于提高机构的运动精度高，此外将与固定平台固联的卸荷球弧支板作为卸载结构，而卸荷球弧支板与卸荷撑架之间采用机械接触，进而将负载转移到了固定平台上，降低了各支链的承载负担，有利于提高机构整体的承载能力，具有高刚度、高可靠性、轻质量、高承载力、易于控制等优点。
5.本发明采用的技术方案是一种基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台，其包括固定平台、卸荷球弧支板、驱动分支和末端平台，所述固定平台的中间部均布环绕设有所述卸荷球弧支板，所述卸荷球弧支板呈球面弧形板状结构，且所述每个卸荷球弧支板的半径均相等，所述每个卸荷球弧支板的球心在空间中均重合于一点，即第一球心，且所述第一球心位于所述固定平台的中心轴线上，所述末端平台设于所述固定平台的上方，且所述末端平台包括上支撑板、下沉杆、球心支撑板和卸荷撑架，所述上支撑板下方设有所述球心支撑板，且所述上支撑板与所述球心支撑板之间均布设有所述下沉杆，所述卸荷撑架设于所述球心支撑板的下方，且所述卸荷撑架底部的撑架球头与所述卸荷球弧支板点接触；所述驱动分支均布设于所述固定平台与所述末端平台之间，且所述每个驱动分支均包括万向铰底座、电动推杆座、电动推杆轴、上球面杆和下球面杆，所述上球面杆和下球面杆均呈弯曲结
构状，且所述上球面杆的第一端通过第一转动副与所述下球面杆的第一端转动连接，所述电动推杆轴的第一端通过第一球副与所述下球面杆的下端面连接，且所述电动推杆轴的第二端通过第一移动副与所述电动推杆座连接，所述电动推杆座的下端通过第一万向铰与所述万向铰底座连接，所述万向铰底座固定于所述固定平台上，且所述上球面杆的第二端通过第二转动副与设于所述上支撑板底部的下底座转动连接，所述下球面杆的第二端通过第三转动副与设于所述固定平台上的上底座转动连接，且所述每个驱动分支中第一转动副的中心轴线、第二转动副的中心轴线以及第三转动副的中心轴线均汇交于所述第一球心处。
6.进一步地，所述固定平台上均布设有所述上底座，且所述上支撑板的底部均布设有所述下底座。
7.优选地，所述上支撑板的中线轴线与所述球心支撑板的中心轴线重合，且所述球心支撑板的中心轴线与所述卸荷撑架的中心轴线重合。
8.优选地，所述卸荷撑架的底部均布设有3个支撑腿，且所述支撑腿的下端设有所述卸荷撑架球头。
9.进一步地，所述第一球心为基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台的转动中心。
10.优选地，所述每个驱动分支中下球面杆上第三转动副中心与所述第一球副中心之间的连线、所述下球面杆上第三转动副中心与所述第一万向铰中心之间的连线以及所述第一球副中心与所述第一万向铰中心之间连线共同构成三角形结构。
11.本发明的特点和有益效果是：
12.1、本发明提供的一种基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台，在竖直方向上降低了末端平台的安装面，继而降低了安装在球面调姿平台上较大质量负载的重心高度，同时由于负载重心在空间上更加靠近球面调姿平台的转动中心，故负载上的各质点到转动中心的距离明显缩短，能够有效且大幅度降低末端平台因转动引起的不平衡力矩。
13.2、本发明提供的一种基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台，将p副作为驱动分支，可以实现ups驱动分支的连续性冗余约束，有利于提高机构的运动精度高，同时将与固定平台固联的卸荷球弧支板作为卸载结构，而卸荷球弧支板与卸荷撑架之间采用机械接触，进一步将负载转移到了固定平台上，降低了各支链的承载负担，有利于提高机构整体的承载能力。
14.3、本发明提供的一种基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台，结构简单，具有高度的结构对称性，易于加工制造，且便于推广。
附图说明
15.图1是本发明基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台的整体结构示意图；
16.图2是本发明基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台的主视图；
17.图3是本发明基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台的俯视图；
18.图4是本发明基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台的左视图；
19.图5是本发明基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台的左视剖面图；
20.图6是本发明末端平台的整体结构示意图；
21.图7是本发明卸荷撑架的结构示意图；
22.图8是本发明驱动分支的整体结构示意图；
23.主要附图标记：
24.固定平台1；上底座11；卸荷球弧支板2；驱动分支3；万向铰底座31；电动推杆座32；电动推杆轴33；上球面杆34；下球面杆35；末端平台4；上支撑板41；下底座411；下沉杆42；球心支撑板43；卸荷撑架44。
具体实施方式
25.为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
26.本发明提供一种基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台，作为一种三自由度并联机构，支链由3条相同的rrr运动支链和3条相同的ups运动支链组成。3ups运动支链提供动力支持，带动3rrr运动支链协调运动。其中r是转动副，u是万向铰，p是移动副，s是球铰。本发明的基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台如图1～图5所示，其包括固定平台1、卸荷球弧支板2、驱动分支3和末端平台4。
27.如图2所示，固定平台1上均布设有上底座11，且固定平台1的中间部均布环绕设有卸荷球弧支板2，卸荷球弧支板2呈球面弧形板状结构，且每个卸荷球弧支板2的半径均相等，每个卸荷球弧支板2的球心在空间中均重合于一点，即第一球心o，且第一球心o位于固定平台1的中心轴线上。
28.如图6和图7所示，末端平台4设于固定平台1的上方，且末端平台4包括上支撑板41、下沉杆42、球心支撑板43和卸荷撑架44，上支撑板41的底部均布设有下底座411，且上支撑板41下方设有球心支撑板43，上支撑板41与球心支撑板43之间均布设有下沉杆42，卸荷撑架44设于球心支撑板43的下方，且卸荷撑架44底部的撑架球头与卸荷球弧支板2点接触。
29.如图6所示，上支撑板41的中线轴线与球心支撑板43的中心轴线重合，且球心支撑板43的中心轴线与卸荷撑架44的中心轴线重合。
30.如图7所示，所述卸荷撑架44的底部均布设有3个支撑腿，且支撑腿的下端设有卸荷撑架球头。
31.如图8所示，驱动分支3均布设于固定平台1与末端平台4之间，且每个驱动分支均3包括万向铰底座31、电动推杆座32、电动推杆轴33、上球面杆34和下球面杆35，上球面杆34和下球面杆35均呈弯曲结构状，且上球面杆34的第一端通过第一转动副r1与下球面杆35的第一端转动连接，电动推杆轴33的第一端通过第一球副s与下球面杆35的下端面连接，且电动推杆轴33的第二端通过第一移动副p与电动推杆座32连接，电动推杆座32的下端通过第一万向铰u与万向铰底座31连接，万向铰底座31固定于固定平台1上，且上球面杆34的第二端通过第二转动副r2与设于上支撑板41底部的下底座411转动连接，下球面杆35的第二端通过第三转动副r3与设于固定平台1上的上底座11转动连接，且每个驱动分支3中第一转动副r1的中心轴线、第二转动副r2的中心轴线以及第三转动副r3的中心轴线均汇交于第一球心o处，且第一球心o即为基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台的转动中心。
32.在一种优选方式中，每个驱动分支3中下球面杆35上第三转动副r3中心与第一球副s中心之间的连线、下球面杆35上第三转动副r3中心与第一万向铰u中心之间的连线以及第一球副s中心与第一万向铰u中心之间连线共同构成三角形结构。
33.本发明的具体操作步骤如下：
34.如图1～图8所示，本发明提供一种基于3rrr-3ups并联机构的球面调姿平台，其包括固定平台1、卸荷球弧支板2、驱动分支3和末端平台4，末端平台4设于固定平台1的上方，且末端平台4中卸荷撑架44底部的撑架球头与卸荷球弧支板2点接触，驱动分支3均布设于固定平台1与末端平台4之间，且驱动分支中上球面杆34的第一端通过第一转动副r1与下球面杆35的第一端转动连接，电动推杆轴33的第一端通过第一球副s与下球面杆35的下端面连接，且电动推杆轴33的第二端通过第一移动副p与电动推杆座32连接，电动推杆座32的下端通过第一万向铰u与万向铰底座31连接，且上球面杆34的第二端通过第二转动副r2与上支撑板转动连接，下球面杆35的第二端通过第三转动副r3与固定平台转动连接。
35.当航空器及其挂载设备在航行的过程中受到高速气流的扰动导致航空器产生俯仰，横滚，偏航运动时，倒挂在机舱底面的基座也会随之运动，万向铰底座31与固定平台1固定连接，且电动推杆座32与电动推杆轴33之间运动可以进行主动补偿，通过电动推杆轴33推动下球面杆35转动，在由下球面杆35带动上球面杆34转动，同时三个驱动分支3的共同作用下使得卸荷撑架44作为从动件在卸荷球弧支板2上以面接触运动，使得末端平台4的位置始终相对作业对象保持固定。如当航空器受气流影响俯仰1.2
°
，横滚0.2
°
，偏航0.4
°
时，此时三个驱动分支3中的电动推杆轴33分别正向推动21.2mm、逆向推动12.44mm、正向推动6.62mm，最终末端平台始终与底面保持初始时刻姿态，不会因飞机姿态变化而发生变化。
36.以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。